Deep Impact (Raumsonde)

Datei:Deepimpact flyby.jpg Deep Impact im Anflug auf Tempel 1, kurz nach Abwurf des Impaktors

Datei:Deep impact assembly.jpg Deep Impact in der Endmontage

Deep Impact (deutsch: tiefer Einschlag bzw. tiefer Eindruck) ist eine NASA-Mission des Discovery-Programms zum Kometen Tempel 1, der innerhalb von fünfeinhalb Jahren die Sonne umkreist und sich der Erde bis auf 133 Millionen Kilometer nähert. Die Mission ist ein Gemeinschaftsprojekt der University of Maryland, des JPL und der Firma Ball Aerospace & Technologies Corp. Die NASA investierte dabei sechs Jahre Arbeit und insgesamt 333 Millionen Dollar, davon 267 Millionen für die Sonde selbst, 15 Millionen für die Durchführung der Primärmission (bis 3. August 2005) und etwa 50 Millionen für die Trägerrakete.

Missionsziele

Das Hauptmissionsziel von Deep Impact ist die Erforschung des Inneren des Kometen Tempel 1. Dazu wird ein 372 kg schweres Projektil (Impaktor) abgefeuert, welches auf dem Kometen einschlägt und dort einen Krater hinterlässt. Anschließend wird das herausgeschleuderte Material mit den Instrumenten der Sonde sowie mit weiteren Teleskopen auf der Erde und im Weltraum untersucht. Erstmals besteht so die Möglichkeit, den Blick auf das Innere eines Kometen freizugeben und das sich im Kometen befindliche Urmaterial des Sonnensystems freizusetzen. Dieses Material stammt noch aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems und bildet die Kerne von Kometen. Wissenschaftler hoffen, dass durch diese neue Sicht nicht nur die Kometen besser verstanden, sondern auch die Rolle der Kometen in der frühen Geschichte des Sonnensystems besser nachvollzogen werden kann. Die Missionsziele im Einzelnen sind:

• Verbesserung des Verständnisses der Schlüsseleigenschaften eines Kometenkerns, sowie erstmals eine direkte Erforschung des Kometeninneren
• Bestimmung von solchen Eigenschaften der Oberflächenschichten wie Dichte, Porosität, Stabilität und Zusammensetzung
• Vergleich der Oberflächenschichten und inneren Schichten des Kometen durch die Beobachtung des Kraters und der ursprünglichen Oberfläche vor dem Einschlag
• Verbesserung des Verständnisses der Evolution eines Kometenkerns, insbesondere des Übergangs zum Ruhezustand, durch den Vergleich des Inneren und der Oberfläche

Das Ziel der Mission ist somit, Unterschiede zwischen den Eigenschaften des Inneren eines Kometenkerns und denen seiner Oberfläche zu erforschen.

Technik

Diagramm der Deep Impact Raumsonde

Deep Impact besteht aus zwei Komponenten: der Vorbeiflugsonde und dem Impaktor, der auf dem Kometen aufschlagen soll. Die Vorbeiflugsonde dient dem Impaktor bis kurz vor dem Aufschlag als Bus. Die Gesamtmasse des Sondenverbundes beträgt beim Start 973 kg (nach anderen Angaben 1022 kg).

Vorbeiflugsonde

Die Vorbeiflugsonde der Deep Impact Mission wurde von der Firma Ball Aerospace & Technologies Corp. entwickelt. Sie hat Abmessungen von etwa 3,2 m Länge, 1,7 m Breite sowie 2,3 m Höhe und eine Startmasse von 601 kg (nach anderen Angaben 650 kg), wobei 86 kg auf den Treibstoff entfallen. Die Sonde ist dreiachsen-stabilisiert und verfügt über ein fest angebrachtes 2,8 × 2,8 m messendes Solarpanel, welches abhängig vom Abstand zur Sonne bis zu 750 Watt Leistung liefert. Zur Energiespeicherung dient ein NiH₂-Akkumulator mit einer Speicherkapazität von 16 Amperestunden. Die Struktur der Sonde besteht aus Aluminium-Profilen und Aluminium in Honigwabenbauweise.

Die Vorbeiflugsonde verfügt über zwei redundante Computersysteme. Das Herz des Bordcomputers ist ein 133 MHz schneller, aus 10.4 Millionen Transistoren bestehender 32-bit-RAD-750-Prozessor. Der Prozessor ist im Grunde ein gegen Strahlung gehärteter PowerPC-750 G3 und ist der Nachfolger des RAD6000-Prozessors, der beispielsweise in den Mars-Rovern Spirit und Opportunity Verwendung findet. Dies ist der erste Einsatz des RAD-750-Prozessors. Beide Rechner der Sonde verfügen über einen gemeinsamen Speicher von 1.024 MByte. Eine Datenmenge von 309 MByte wird von der Raumsonde erwartet.

Die Kommunikation mit der Erde erfolgt im X-Band auf einer 8 GHz-Frequenz mit maximal 175 Kbps zur Erde und 125 bps zur Sonde. Mit dem Impaktor wird im S-Band mit 64 Kbps auf einer maximalen Entfernung von 8.700 km kommuniziert. Die Sonde verfügt über eine bewegliche 1 m-Hochgewinnantenne (HGA) und zwei fest angebrachte Niedriggewinnantennen (LGA). Für Kurskorrekturen ist ein Antriebsystem, bestehend aus einer Gruppe von Triebwerken, vorhanden. Das Antriebssystem mit einem Gesamtschub von 5.000 N verbrennt Hydrazin und vermag eine Gesamt-Geschwindigkeitsänderung um 190 m/s zu erzeugen.

Impaktor

Datei:Main deep impactor.jpg

Impaktor in einer teilweise transparenten Darstellung

Impaktor in der Montagehalle

Der Impaktor stammt ebenfalls von Ball Aerospace & Technologies Corp. und ist 1 m hoch, hat einen Durchmesser von 1 m und wiegt 372 kg, wobei 8 kg davon auf den Treibstoff für Kurskorrekturen unmittelbar vor dem Aufprall entfallen. Der Impaktor besteht überwiegend aus Kupfer (49%) und Aluminium (24%). Diese Mischung verringert eine Verunreinigung der Spektrallinien des Kometenkerns, die nach dem Aufprall aufgenommen werden, da Kupfer auf dem Kometen nicht vorkommen sollte. 113 kg der Impaktor-Gesamtmasse sind "cratering mass", bestimmt dazu, einen möglichst großen Krater zu erzeugen. Diese Masse besteht aus mehreren Kupfer-Platten, die am vorderen Ende des Impaktors angebracht sind. Diese Platten bilden eine sphärische Form.

Der Impaktor wird 24 Stunden vor dem Aufschlag auf dem Kometen von der Vorbeiflugsonde, mit der er mechanisch und elektrisch verbunden ist, abgetrennt. Lediglich die letzten 24 Stunden bezieht er seine Energie von einer bordeigenen nichtaufladbaren Batterie mit einer Kapazität von 250 Amperestunden. Der Bordcomputer und die Flugsteuerung des Impaktors sind der Vorbeiflugsonde ähnlich. Bedingt durch die kurze Lebensdauer verfügt der Impaktor im Gegensatz zur Vorbeiflugsonde über keine redundante Systeme. Die Datenrate zur Vorbeiflugsonde beträgt 64 Kbps auf einer maximalen Entfernung von 8.700 km. Kommandos werden mit 16 Kbps zum Impaktor übertragen. Das hydrazinverbrennende Antriebssystem besteht aus einer Gruppe von Triebwerken mit einem Gesamtschub von 1.750 N und ermöglicht eine Geschwindigkeitsänderung um 25 m/s.

Der Impaktor trug eine CD, die mit 625.000 Namen von Internet-Nutzer beschrieben war, die sich in der Zeit zwischen Mai 2003 und Ende Januar 2004 bei der Deep Impact Homepage für die Send Your Name to a Comet Aktion angemeldet haben.

Instrumente

Die Instrumente der Vorbeiflugsonde (rechts HRI, links MRI) bei den Tests

Aus Kostengründen mussten die Experimente der Mission auf lediglich drei Instrumente beschränkt werden, davon werden zwei von der Vorbeiflugstufe (HRI und MRI) und eines vom Impaktor (ITS) getragen. Die Instrumente der Vorbeiflugsonde wiegen insgesamt 90 kg, zum Betrieb ist eine elektrische Leistung von 92 Watt erforderlich. Hauptaufgabe ist die Aufnahme von Infrarotspektren und Fotos im sichtbaren Licht, die anschliessend zur Erde gefunkt werden sollen. Alle drei Instrumente wurden von Ball Aerospace & Technologies Corp. entwickelt.

High-Resolution Instrument

High-Resolution Instrument (HRI)

HRI ist das Hauptinstrument der Vorbeiflugsonde. Es besteht aus einem 30 cm Teleskop, welches das eintreffende Licht gleichzeitig an eine Multispektralkamera und an einen Infrarotspektrometer leitet. Aus einer Entfernung von 700 km soll eine Auflösung von etwa 2 m pro Pixel erreicht werden können. Der Infrarotspektrometer liefert Spektralbilder in 1-4,8 µm Wellenlänge mit einer Auflösung von 10 m bei der Annäherung an den Kometen.

Dies war bisher das größte Teleskop, das in einer Raumsonde eingesetzt wurde, seine Parameter wurden jedoch von dem HiRISE-Instrument des im August 2005 gestarteten Mars Reconnaissance Orbiters übertroffen. Die Entwicklung des Instruments begann 2001, es enthält auch einige Technologien der Wide Field Camera 3, die zur Zeit für das Hubble-Weltraumteleskop entwickelt wird. Als nach dem Start der Sonde die ersten Testbilder mit dem HRI geschossen wurden, wurde klar dass die Kamera die vorgesehene Auflösung nicht erreicht. Als Ursache wurde ein Herstellungsfehler bei der Fokussierung des Teleskops ermittelt. Jedoch sind die NASA-Ingeneure zuversichtlich, mit bereits für das Hubble-Weltraumteleskop entwickelten Algorithmen den Fokussierungsfehler nachträglich herausrechenen zu können und so die Nominalauflösung der Kamera doch noch zu erreichen. [1]

Medium-Resolution Instrument

Medium-Resolution Instrument (MRI)

MRI ist das zweite Instrument der Vorbeiflugsonde. Es ist ein kleineres Cassegrain-Teleskop mit einem Durchmesser von 12 cm und 2,1 m Brennweite. Bedingt durch sein größeres Sichtfeld wird es zur Beobachtung des freigesetzten Kratermaterials und des Kraters selbst eingesetzt, zudem wird es in den letzten zehn Tagen beim Anflug auf den Kometen zur Sternennavigation verwendet. Aus einer Entfernung von 700 km kann das MRI den gesamten Kometen mit einer Auflösung von 10 m pro Pixel abbilden. [2]

Impactor Targeting Sensor (ITS)

ITS ist das einzige Instrument des Impaktors und ist eine Kopie des MRI der Vorbeiflugsonde. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ITS über kein Multispektral-Filterrad des MRI verfügt. Das 12 cm Teleskop liefert Bilder zur Navigation sowie Nahaufnahmen der Einschlagstelle kurz vor dem Einschlag. Die beste Auflösung soll mit 20 cm pro Pixel aus 20 km Höhe erreicht werden. Es wurde vermutet, dass der Spiegel des Teleskops durch Staubpartikeleinschläge in der letzten halben Minute zerstört wird, dies traf jedoch nicht ein – das letzte Bild lieferte ITS 3,7 Sekunden vor dem Aufprall.

Ablauf der Mission

Trägerrakete Delta II 7925 mit Deep Impact kurz vor dem Start

Die ersten Vorschläge für eine Kometeneinschlagmission gab es bei der NASA bereits 1996. Doch damals blieben NASA-Ingenieure skeptisch, dass der Komet getroffen werden kann [3]. Ein überarbeiteter und technologisch auf den neusten Stand gebrachter Missionsvorschlag, genannt Deep Impact, wurde im März 1998 von der NASA in die Auswahl für eine Mission im Rahmen des Discovery-Programms einbezogen, im November 1998 war Deep Impact einer der fünf Finalisten mit der besten wissenschaftlichen Ausbeute von insgesamt 26 Vorschlägen. Schließlich wurde am 7. Juli 1999 Deep Impact zusammen mit MESSENGER zur Finanzierung im Rahmen des Discovery-Programms genehmigt [4]. Beide Teile der Deep Impact Raumsonde (Vorbeiflugsonde und Impaktor) sowie die drei wissenschaftlichen Instrumente wurden bei Ball Aerospace & Technologies Corp. in Boulder, Colorado, USA gefertig. Ihren Namen teilt die Raumsonde mit dem etwa zur gleichen Zeit erschienenen Film Deep Impact, der von einem Kometen, welcher mit der Erde zu kollidieren droht, handelt. Die Namensgleichheit soll jedoch zufällig entstanden sein.

Start

Bei der Entwicklung der Deep Impact Mission war der Start der Sonde zunächst für Januar 2004 mit einem Swing-By Manöver an der Erde am 31. Dezember 2004 und dem Zusammentreffen mit dem Kometen Tempel 1 am 4. Juli 2005 geplant [5]. Doch aufgrund von Schwierigkeiten bei der Entwicklung der Sonde konnte der Starttermin nicht gehalten werden, der schließlich auf den 30. Dezember 2004 verschoben wurde. Dadurch flog die Sonde auf einer direkten Route zum Kometen, brauchte dafür allerdings eine etwas stärkere und daher auch teuerere Trägerrakete [6].

Am 18. Oktober 2004 traf Deep Impact in Cape Canaveral zu Startvorbereitungen ein. Doch auch der Starttermin am 30. Dezember 2004 konnte nicht gehalten werden und wurde zunächst auf den 8. Januar 2005 verschoben, um mehr Zeit für Softwaretests zu haben. Deep Impact wurde schließlich am 12. Januar 2005 um 18:47:08.574 UTC mit einer Delta II 7925 Trägerrakete, ausgestattet mit einer Star-48 Oberstufe, vom Raumfahrtbahnhof Cape Canaveral auf eine sechsmonatige und 431 Millionen Kilometer weite Reise zum Kometen Tempel 1 geschickt. Kurz nach dem Einschuß in die interplanetare Transferbahn ging die Sonde in ein "safe mode", konnte aber schnell reaktiviert werden. Als Ursache wurde ein zu empfindlicher Temperatursensor festgestellt, was die Mission nicht weiter gefährden sollte.

Flug

Flugbahn der Deep Impact Sonde

Tempel 1, fotografiert am 30. Mai mit dem MRI-Instrument aus einer Entfernung von 31,2 Millionen Kilometern

Nach dem erfolgreichen Start begann die commissioning phase der Mission, während der die Flugsysteme und die Instrumente aktiviert, getestet und kalibriert wurden. Diese Tests ergaben ein vermindertes Auflösungsvermögen des HRI-Teleskops, es stellte sich später heraus, dass dieser Fehler nachträglich durch Bearbeitung auf der Erde korrigiert werden kann (mehr dazu im HRI-Abschnitt dieses Artikels) [7], [8].

Am 11. Februar 2005 wurde wie geplant das erste Kurskorrekturmanöver durchgeführt. Dieses Manöver war so präzise, dass die nächste geplante Kurskorrektur am 31. März abgesagt werden konnte. Am 25. März begann die cruise phase, die bis 60 Tage vor dem Eintreffen beim Kometen laufen sollte. Am 25. April machte Deep Impact mit dem MRI-Instrument das erste Foto des Zielkometen, welcher zu dem Zeitpunkt noch 63,9 Millionen Kilometer von der Sonde entfernt war [9]. Am 4. Mai folgte das zweite Kurskorrekturmanöver, wobei die Triebwerke für 95 Sekunden feuerten und die Geschwindigkeit der Sonde um 18,2 km/h (5 m/s) änderten.

Am 5. Mai begann die approach phase, die von 60 bis fünf Tagen vor dem Zusammentreffen mit dem Kometen lief. 60 Tage vor dem Eintreffen sollte der frühstmögliche Termin sein, um den Kometen mit dem MRI-Instrument entdecken zu können. In der Tat wurde der Komet wie oben erwähnt bereits am 25. April erfolgreich fotografiert. In dieser Flugphase wurde die Umlaufbahn des Kometen, seine Rotation, Aktivität und Staubeigenschaften studiert. Am 14. Juni und 22. Juni beobachtete Deep Impact zwei Ausbrüche auf dem Kometen, der letzte sechs Mal stärker als der erste [10].

Drei Wochen vor dem Einschlag wurde mit dem präziseren Ausrichten der Sonde auf ihr Ziel begonnen. Dazu wurden fortlaufend Aufnahmen des Kometen gemacht, um genaue Parameter für die letzten zwei Kurskorrekturen (targeting maneuver) vor dem Abtrennen des Impaktors zu bestimmen. Am 23. Juni wurde das erste targeting maneuver durchgeführt, wobei die Geschwindigkeit um 6 m/s verändert und die Sonde in ein 100 km breites Zielfenster gesteuert wurde.

Begegnung mit dem Kometen

Diagramm der Begegnung Deep Imapacts mit dem Kometen

Zielerfassungsmanöver des Impaktors

Einschlag des Impaktors auf dem Kometen Tempel 1

Die nachfolgenden Zeitangaben beziehen sich auf die sogenannte Earth-receive UTC-Zeit, das heisst das tatsächliche Ereignis trat in Wirklichkeit etwa 7 min 26 s früher auf. Dies ist die Zeit, die ein sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegendes Radiosignal braucht, um von der Raumsonde zur Erde zu gelangen.

Die encounter phase begann fünf Tage vor und endete einen Tag nach dem Einschlag. Am 2. Juli, sechs Stunden vor dem Abtrennen des Impaktors, wurde das zweite und letzte targeting maneuver durchgeführt. Die Triebwerke feuerten 30 Sekunden lang und änderten die Geschwindigkeit der Sonde um etwa 1 km/h (etwa 0,278 m/s). Sie wurde nun in ein etwa 15 km breites Zielfenster gesteuert. Am 3. Juli um 6:07, etwa 24 Stunden vor dem Einschlag, wurde der Impaktor durch losgelöste Federn mit einer Geschwindigkeit von 34,8 cm/s abgetrennt. Zuvor wurde er um 5:12 auf bordeigene Energieversorgung umgestellt. Um 6:19, zwölf Minuten nach dem Abtrennen des Impaktors, feuerten die Triebwerke der Vorbeiflugsonde für 14 Minuten und verringerten ihre Geschwindigkeit um 102 m/s, um die Sonde vom Kollisionskurs abzubringen und Abstand zum Impaktor zu gewinnen. 22 Stunden vor dem Einschlag schoss der Impaktor sein erstes Bild des Kometenkerns.

Um 3:53 am 4. Juli, zwei Stunden vor dem Einschlag, übernahm die Autonavigationssoftware die Steuerung des Impaktors. Das Autonavigationssystem machte alle 15 Sekunden ein Bild des Kometen, um so die hellste Stelle auf der Oberfläche zu bestimmen. Zu dieser Stelle sollte der Impaktor mit Hilfe von drei Impactor Targeting Manoeuvers (ITMs) gesteuert werden. Damit sollte bewirkt werden, dass das Projektil in einem von der Sonne beleuchteten, gut einsehbaren Gebiet niedergeht. Das erste ITM erfolgte um 4:22 und dauerte 20 Sekunden, das zweite um 5:17, wobei 0,36 kg Treibstoff verbraucht wurden, und das dritte und letzte um 5:39 für 44 Sekunden mit 0,37 kg verbrauchtem Treibstoff.

Der Einschlag erfolgte um 5:52. Dabei wurde das letzte Bild 3,7 Sekunden vor der Kollision aus einer Höhe von etwa 30 km über der Oberfläche vom Impaktor zur Muttersonde übertragen. Der Impaktor schlug unter einem Winkel von etwa 25 Grad auf. Die Raumsonde und der Komet bewegten sich auf unabhängigen Umlaufbahnen um die Sonne, die Sonde mit 21,9 km/s und der Komet mit 29,9 km/s. Die Kollision fand mit einer relativen Geschwindigkeit von 10,3 km/s (etwa 37.000 Kilometern pro Stunde) statt, dabei wurden ca. 19 GJoule oder 4,5 Tonnen TNT-Äquivalent Energie freigesetzt. Die Geschwindigkeit des Kometen wurde durch den Einschlag lediglich um 0,0001 mm/s verringert, was fast unmessbar ist.

Zum Zeitpunkt des Einschlags war die Vorbeiflugsonde etwa 8.600 km von der Einschlagsstelle entfernt. Die Instrumente der Vorbeiflugsonde beobachteten bereits davor sowie 13 Minuten danach die Einschlagstelle. Um 6:05 wurde die Sonde so ausgerichtet, dass das Solarpanel sie vor den Partikeleinschlägen beim Passieren des Komas des Kometen schützte. In dieser Zeit konnten die Instrumente den Kometen nicht sehen. Um 6:51 drehte sich die Sonde schließlich mit ihren Instrumenten wieder Richtung des Kometen, um für weitere 24 Stunden Observationen des ausströmenden Materials durchzuführen.

Das Ereignis wurde ebenfalls von mehreren im Weltraum und auf der Erde stationierten Teleskopen beobachtet. Zu den beteiligten Weltraumobservatorien zählen Hubble-Weltraumteleskop, Spitzer, Chandra, GALEX, SWAS und Swift. Die europäische Raumfahrtagentur ESA richtete die Instrumente ihrer Rosetta-Raumsonde ebenfalls auf Tempel 1, die zwar sehr weit vom Ereignisort entfernt ist, dafür aber eine Sicht unter einem anderen Blickwinkel erlaubt.

Erweiterte Mission

Die Primärmission der Deep Impact Vorbeiflugsonde endet am 3. August 2005 nach dem Überspielen der letzten, beim Kometen Tempel 1 gewonnenen wissenschaftlichen Daten. Da die Sonde den Flug durch das Koma des Kometen völlig schadlos überstanden hat und noch über etwa 160 kg Treibstoffreserven verfügt, wird die Möglichkeit in Erwägung gezogen, die Mission zu verlängern und Deep Impact zu dem Kometen Boethin zu schicken, den die Sonde nach einem Swing-By Manöver an der Erde Ende 2008 erreichen würde. Die NASA gab grünes Licht für ein 900 s langes Kuskorrekturmanöver, das am 20. Juli 2005 erfolgte, die Geschwindigkeit der Sonde um 348 km/h (96,6 m/s) änderte und sie auf einen neuen Kurs brachte. Nun wird Deep Impact nach Beendigung der Primärmission in ein "safe mode" wechseln und auf eine eventuelle Wiederaktivierung warten. Diese hängt davon ab, ob NASA zusätzliche Gelder für die Durchführung der erweiterten Mission finden kann, die als "Mission of Opportunity" im Discovery Programm laufen soll. Normalerweise fallen einzelne Instrumente, die auf nicht amerikanischen Raumsonden mitfliegen, in diese Kategorie.

Weblinks

• Die Original Animation des Einschlags und weitere Fotos (engl.)
• NASA Jet Propulsion Laboratory: Deep Impact (engl.)
• NASA Discovery Missions: Deep Impact (engl.)
• Deep Impact bei dem Hersteller Ball Aerospace (engl.)
• Deep Impact bei BR-ONLINE: aktuelle Berichterstattung über die Mission, mit den neuesten Bildern (dt.)
• Deep Impact (dt.)
• Einschlaggebiet (dt.)
• extrasolar-planets.com - Deep Impact (dt.)
• Raumfahrer.net: Deep Impact (dt.)
• Wissen-News.de: Die NASA-Mission Deep Impact und Komet Tempel 1 (dt.)

Siehe auch: Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen

Raumsonden zu Kometen und Asteroiden

Überblick: Chronologie der Raumsonden zu Kometen und Asteroiden